速凝劑是一種能夠使水泥漿體、砂漿或混凝土迅速凝結(jié)硬化，而不過(guò)分影響其長(zhǎng)期強(qiáng)度的化學(xué)外加劑。自速凝劑開(kāi)始生產(chǎn)和使用以來(lái)，其憑借在速凝與早強(qiáng)方面的顯著特點(diǎn)，現(xiàn)已成為噴射混凝土的重要組成材料之一，特別是隨著地下工程數(shù)量的增多、規(guī)模的宏大，速凝劑作為混凝土的組成材料，不僅越來(lái)越重要，而且在某些特定工程更是不可或缺，廣泛應(yīng)用于礦山井巷、隧道等工程的錨噴支護(hù)，以及堵漏與搶修等工程。

噴射混凝土的應(yīng)用

        速凝劑的應(yīng)用主要是以噴射混凝土為載體的。噴射混凝土借助噴射機(jī)械，利用壓縮空氣或其他動(dòng)力，將摻有速凝劑的拌合物，通過(guò)管道輸送并以高速噴射到結(jié)構(gòu)表面而凝結(jié)硬化，其施工方法包含了運(yùn)輸、拌合、噴射等多道工序。按照混凝土在噴射口處的狀態(tài)，噴射施工可分為干式噴射與濕式噴射兩種，而無(wú)論干式或濕式的噴射混凝土施工，速凝劑均是必不可少的外加劑。速凝劑的種類與品質(zhì)直接影響噴射混凝土的質(zhì)量，因此，國(guó)內(nèi)外關(guān)于噴射混凝土的研究均把速凝劑放在非常重要的位置。

本文簡(jiǎn)要介紹速凝劑類型與作用機(jī)理，并結(jié)合影響速凝劑作用效果的因素，討論速凝劑實(shí)際應(yīng)用中的若干關(guān)鍵要點(diǎn)。
1.速凝劑的主要品種及其組成

速凝劑種類繁多，根據(jù)性質(zhì)與狀態(tài)，大致可以分為堿性粉狀、堿性液態(tài)、無(wú)堿(低堿)粉狀和無(wú)堿(低堿)液態(tài)四大類速凝劑。

1.1 堿性粉狀速凝劑

       主要速凝成分為鋁酸鹽、碳酸鈉和生石灰。國(guó)外研究較早的產(chǎn)品主要有日本的海德庫(kù)斯、前聯(lián)邦德國(guó)的Isocrete等，而我國(guó)較傳統(tǒng)并有代表性的主要是“紅星Ⅰ型”、“711型”和“782型”三種速凝劑。

“紅星Ⅰ型”速凝劑由鋁氧熟料、碳酸鈉、生石灰，按質(zhì)量比1：1：0.5的比例配制而成，其細(xì)度接近于水泥。成分中鋁酸鈉占20%、氧化鈣占20%、碳酸鈉占40%，其余為無(wú)速凝作用的硅酸二鈣、硅酸鈉和鐵酸鈉等成分。

        “711型”速凝劑是由鋁礬土、碳酸鈉和生石灰按一定比例配合成生料，將生料在1300℃左右的高溫下煅燒成鋁氧燒結(jié)塊，再將其與無(wú)水石膏按質(zhì)量比3：1共同粉磨制成。在711型速凝劑產(chǎn)品中，鋁酸鈉質(zhì)量占37.5%，無(wú)水石膏質(zhì)量占25%，其余為硅酸二鈣和中性鈉鹽等。在適宜摻量下，“711型”速凝劑可使水泥凈漿在5min內(nèi)初凝，10min內(nèi)終凝，提高混凝土的早期強(qiáng)度，但會(huì)使其28d強(qiáng)度有所降低。

        “782型”速凝劑是由礬泥、鋁氧熟料和生石灰按質(zhì)量比6.78：1.32：1.00的比例配制而成，主要化學(xué)成分為Al2O3、CaO、SO3、SiO2、Fe2O3、K2O、Na2O等，此類速凝劑含堿量相對(duì)較低，可使混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展加快，后期強(qiáng)度損失相對(duì)較小。

1.2堿性液態(tài)速凝劑

堿性液態(tài)速凝劑主要有硅酸鈉型和鋁酸鹽型兩種。

        硅酸鈉型液態(tài)速凝劑以鈉水玻璃（硅酸鈉）為主要成分，為降低黏度需加入重鉻酸鉀，或亞硝酸鈉、三乙醇胺等成分。其生產(chǎn)方法是將水玻璃調(diào)整到波美度30，再適當(dāng)加入其他輔料。主要產(chǎn)品有奧地利的西卡-1，瑞士的西古尼特-W。 這類速凝劑可加速混凝土的凝結(jié)、硬化，早期強(qiáng)度高、抗?jié)B性好，可以在低溫下施工，缺點(diǎn)是收縮大，堿含量仍然很高，混凝土后期強(qiáng)度也有所損失。

        鋁酸鹽型液態(tài)速凝劑主要由鋁酸鈉(約占50%)、氫氧化鈉(或碳酸鈉)、三乙醇胺與減水劑、增粘劑等組分溶解于水而制成。其常用摻量一般為膠凝材料質(zhì)量的2.5%-5.5%。其作用效果通常受水泥熟料的化學(xué)成分、混合材種類和摻量以及水泥的細(xì)度等多種因素的影響，并且由于堿性物質(zhì)的存在，混凝土后期抗壓強(qiáng)度損失較大(20%-25%)。

1.3 無(wú)堿(低堿)粉狀速凝劑

        無(wú)堿(低堿)粉狀速凝劑是20世紀(jì)90年代初開(kāi)始使用的一類速凝劑。如采用CaCl2與Al2(SO4)3復(fù)合制成的無(wú)堿粉狀速凝劑，可使混凝土后期強(qiáng)度損失減低至15%以下，但因Cl-的引入會(huì)加速鋼筋銹蝕，該速凝劑沒(méi)有得到推廣。

也有主要是以鋁酸鈣為主要速凝組分的粉狀速凝劑，其摻量在6%-12%。這種速凝劑直接與水發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生大量水化鋁酸鈣致使水泥漿體快速凝結(jié)，而不與水泥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

        無(wú)堿(低堿)粉狀速凝劑雖然堿含量較低，混凝土抗壓強(qiáng)度損失相對(duì)較小。但這類速凝劑在使用過(guò)程中仍無(wú)法消除粉狀速凝劑普遍存在的混合不均勻、粉塵大等缺陷，且受潮后會(huì)嚴(yán)重影響它們的速凝效果。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，這類速凝劑需要在干燥設(shè)備中貯存，阻礙了其推廣與應(yīng)用。

1.4無(wú)堿(低堿)液態(tài)速凝劑

         國(guó)外對(duì)無(wú)堿(低堿)液態(tài)速凝劑的研究始于20世紀(jì)70年代。研究人員使用鋁酸鈉或鋁酸鉀、醇胺等配制出了低堿液態(tài)速凝劑。其中，鋁酸鹽作為主要促凝物質(zhì)，并加入了能起到早強(qiáng)和增稠的作用的醇胺。此類速凝劑堿含量減低至10%-20%，混凝土28d抗壓強(qiáng)度比保持在70%-80%之間。隨后，研究人員分別利用鋁酸鈣、鋁酸鈣和石膏、硫酸鋁和冰晶石、硫酸鋁等，對(duì)鋁酸鈉或鋁酸鉀液態(tài)速凝劑進(jìn)行改性，進(jìn)一步降低了產(chǎn)品的堿含量。為提高液態(tài)速凝劑產(chǎn)品的穩(wěn)定性，還配合使用了無(wú)機(jī)酸、羧酸、鏈烷醇胺、酰胺、有機(jī)醇等改性組分，這也有助于增加噴射混凝土的粘聚性。

目前，以硫酸鋁替代部分堿金屬鹽類物質(zhì)所配制的速凝劑，作為新型無(wú)堿(低堿)液態(tài)速凝劑，在市場(chǎng)上生產(chǎn)與應(yīng)用較廣泛。這類速凝劑品種很多，且組成成分和配制工藝也存在較大差別。舉例如下。

1) 以硫酸鋁為主要組分的速凝劑

這種速凝劑中起速凝作用的主要是鋁離子，但因?yàn)榱蛩徜X的溶解度較小，溶液不穩(wěn)定，大部分存在摻量較高、早期強(qiáng)度偏低和后期強(qiáng)度損失較大的缺點(diǎn)。

2) 以硫酸鋁和鋁酸鈉為主要組分的速凝劑

        硫酸鋁和鋁酸鈉在一定條件下可反應(yīng)生成聚合硫酸鋁，使得溶液中鋁離子含量增加，然而聚合硫酸鋁的穩(wěn)定性較差，目前主要采用摻加穩(wěn)定劑和調(diào)節(jié)pH值的方法來(lái)抑制鋁離子的水解，延長(zhǎng)其存儲(chǔ)期。這類速凝劑對(duì)水泥后期強(qiáng)度影響較小，對(duì)不同類型的水泥適應(yīng)性良好。但從根本上來(lái)說(shuō)，摻加鋁酸鈉時(shí)會(huì)不可避免的引入鈉離子，這與速凝劑向無(wú)堿方向發(fā)展的趨勢(shì)是相悖的。

3) 以硫酸鋁和氫氧化鋁為主要組分的速凝劑

        硫酸鋁和氫氧化鋁可直接反應(yīng)生成聚合硫酸鋁，簡(jiǎn)化了硫酸鋁和鋁酸鈉反應(yīng)先生成氫氧化鋁再生成聚合硫酸鋁的反應(yīng)過(guò)程，并且最大程度的引入了鋁離子。其優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)引入堿金屬離子，缺點(diǎn)是氫氧化鋁使用比例較大，成本較高，且這類速凝劑穩(wěn)定性差，容易沉淀、結(jié)晶，不利于長(zhǎng)期儲(chǔ)存使用。

4) 硫酸鋁與其他成分搭配制備的速凝劑

        硫酸鋁也可以與氟化鈉、硫酸鎂等進(jìn)行配合，形成速凝劑產(chǎn)品。但氟化鈉和硫酸鎂都存在一定的缺點(diǎn)。如氟化鈉能夠促進(jìn)水泥水化產(chǎn)物的形成，縮短水泥的凝結(jié)時(shí)間，提高混凝土的強(qiáng)度，同時(shí)還可作為絡(luò)合物的形成劑，能夠與硫酸鋁形成穩(wěn)定的絡(luò)合物體系，增加鋁離子在水溶液中的穩(wěn)定性，但缺點(diǎn)是引入了堿金屬離子。硫酸鎂能提高混凝土的早期強(qiáng)度，改善速凝劑對(duì)水泥的適應(yīng)性，但摻量過(guò)多時(shí)會(huì)因引入過(guò)多的硫酸根離子，增加生成二次鈣礬石的可能性，降低混凝土的耐久性能。
2.速凝劑的作用機(jī)理

由于水泥凝結(jié)硬化過(guò)程的復(fù)雜性以及速凝劑品種的多樣性，迄今為止，研究人員對(duì)速凝劑的作用機(jī)理尚未形成十分統(tǒng)一的觀點(diǎn)。本文簡(jiǎn)要介紹兩種典型速凝劑的作用機(jī)理。

2.1“紅星I型”速凝劑

        硅酸鹽系列水泥中摻入的石膏是起緩凝作用的，石膏與C3A反應(yīng)，形成一定量的鈣礬石覆蓋于水泥顆粒表面，阻止水分進(jìn)一步與水泥礦物成分接觸，延緩水泥的凝結(jié)。可以設(shè)想，如果采取一定技術(shù)手段，消除水泥中石膏的緩凝作用，就可使水泥漿體發(fā)生速凝。我國(guó)傳統(tǒng)的速凝劑“紅星I型”，就是利用這一原理，其組分在水泥接觸水的階段發(fā)生了如下反應(yīng)。

1)生成溶解度更低的鹽類：

Na2CO3+CaO+H2O→CaCO3+2H2O

Na2CO3+CaSO4→CaCO3+Na2SO4

2)鋁酸鹽水解，并進(jìn)行中和反應(yīng)：

NaAlO2+2H2O→Al(OH)3+H2O

NaAlO2+3CaO+7H2O→3CaO·Al2O3·6H2O+2NaOH

在反應(yīng)過(guò)程中，NaOH會(huì)與水泥中的石膏之間建立以下平衡關(guān)系：

2NaOH+CaSO4? Na2SO4+Ca(OH)2

       即堿性物質(zhì)在加水拌合時(shí)，可立即與水泥中起緩凝作用的石膏發(fā)生反應(yīng)形成硫酸鈉而消除石膏的緩凝作用，使得水泥中C3A迅速發(fā)生水化，并在溶液中析出水化鋁酸鈣進(jìn)而導(dǎo)致了水泥快速凝結(jié)硬化。“紅星I型”產(chǎn)品的摻加，雖然可使混凝土快速凝結(jié)，并促進(jìn)早期強(qiáng)度的迅速增長(zhǎng)，但混凝土后期強(qiáng)度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及不摻速凝劑者。這主要是因?yàn)榛炷恋目焖倌Y(jié)與硬化，必然導(dǎo)致其內(nèi)部形成較大缺陷，且水化鋁酸鈣易發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，也導(dǎo)致漿體內(nèi)部孔隙率增加。另一方面，由水泥快速水化反應(yīng)所形成的水化鋁酸鹽交錯(cuò)搭界的結(jié)構(gòu)并非十分堅(jiān)固，且早期較快的水化速率，也導(dǎo)致水泥礦物C3S和C2S的后期水化受到抑制，進(jìn)而影響漿體后期強(qiáng)度的發(fā)展。

2.2以硫酸鋁為主要組分的液態(tài)速凝劑

        以硫酸鋁為主要組分的無(wú)堿液態(tài)速凝劑被認(rèn)為是因?qū)е滤酀{體早期大量形成鈣礬石而速凝。Paglia等對(duì)含硫酸鋁的無(wú)堿速凝劑進(jìn)行了試驗(yàn)研究，認(rèn)為這種速凝劑主要是通過(guò)硫酸鋁促進(jìn)鈣礬石的形成，從而加速凝結(jié)，實(shí)現(xiàn)速凝的目的。C. Maltese等通過(guò)分析水泥化學(xué)組成以及石膏摻量等影響因素研究了無(wú)機(jī)酸類無(wú)堿速凝劑的作用機(jī)理，其結(jié)果與Paglia等的觀點(diǎn)類似。Bravo等也同樣驗(yàn)證了無(wú)堿速凝劑與水泥拌合并加水后，來(lái)自速凝劑中的Al3+、可與C3A和Ca2+迅速發(fā)生反應(yīng)生成鈣礬石，從而導(dǎo)致速凝。

以硫酸鋁為主要組分的液態(tài)速凝劑加入水泥漿體中會(huì)發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：

1）生成次生石膏：

Al2(SO4)3+3Ca(OH)2+6H2O→2Al(OH)3+3CaSO4·2H2O

2 ）生成鈣礬石：

C3A+3CaSO4·2H2O+26H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

Al2(SO4)3+6Ca(OH)2+26H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

2Al(OH)3+3Ca(OH)2+3CaSO4+26H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

        當(dāng)水泥中加入該類型的速凝劑時(shí)，SO42-可與水泥漿中的Ca2+反應(yīng)生成的次生石膏，由于其比水泥中的原有石膏活性大，因此更易與C3A 反應(yīng)生成鈣礬石。另一方面，由反應(yīng)式可知，硫酸鋁也可與液相中的氫氧化鈣直接迅速反應(yīng)生成鈣礬石。科研人員利用掃描電鏡SEM對(duì)P·O42.5水泥漿體，以及添加了4 %該種速凝劑的水泥漿體，在不同水化時(shí)間時(shí)的形貌進(jìn)行了觀察。如下圖所示：
P·O42.5水泥漿體及摻加了4 %以硫酸鋁為主要組分的液態(tài)速凝劑的水泥漿體，在不同水化時(shí)間的SEM圖像

(a：P·O42.5水泥漿體，水化時(shí)間為260min；b：摻加了4 %以硫酸鋁為主要組分的液態(tài)速凝劑的水泥漿體，水化時(shí)間為6min；c：摻加了4 %以硫酸鋁為主要組分的液態(tài)速凝劑的水泥漿體，水化時(shí)間為260min)

       可以看出，P·O 42.5水泥漿體水化形成的鈣礬石集中分布并覆蓋于無(wú)水礦物表面，阻礙了水泥的進(jìn)一步水化，從而抑制了漿體的凝結(jié)速度。而摻加了4%以硫酸鋁為主要組分的液態(tài)速凝劑的水泥漿體，其所形成的鈣礬石，是在水化產(chǎn)物的孔隙間分散分布的。再者，兩種漿體中所生成的鈣礬石在形態(tài)上也存在著差異：P·O 42.5水泥漿體水化形成的鈣礬石較為細(xì)長(zhǎng)，形如針狀，而摻加了4%以硫酸鋁為主要組分的液態(tài)速凝劑的水泥漿體生成的鈣礬石則呈短柱狀，并連接成簇。可以認(rèn)為，摻加了4%以硫酸鋁為主要組分的液態(tài)速凝劑的水泥漿體中，鈣礬石晶體的迅速增多，以及其相互搭接、穿插成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致漿體出現(xiàn)了速凝現(xiàn)象。

你覺(jué)得這篇文章怎么樣？